KVN 성능개선 및 중장기 계획

1) 안테나 추가를 통한 이미지 성능 개선

KVN은 동시다주파수의 장점이 있지만 3개의 망원경으로 구성되어 있어서 관측 성능에는 큰 한계가 있다. 현재 KVN의 3개의 기선은 천체영상을 얻을 수 있는 최소의 망원경 개수이다. 1개의 망원경을 추가하여 4개의 망원경으로 관측망으로 확장할 경우, 현재 보다 기선의 개수가 2배가 많은 6개가 되어 천체 영상 이미지의 관측 속도와 관측 자료의 신뢰도, 신호 감도 등이 크게 개선된다. 기선 개수의 변화에 따른 이미지 성능의 비약적인 개선은 4개의 기선으로 구성된 VERA 관측 이미지와 KVN+VERA 7개 기선을 이용한 이미지의 비교를 통해 확인할 수 있다 (Niinuma et al., PASJ, 2014). 평창 KVN 추가 건설 페이지로 이동

2) e-VLBI를 활용한 천체의 격변 현상 관측 연구 지원

KVN의 동시 여러 주파수 관측의 장점을 최대로 활용할 수 있는 변광 천체의 관측도 기선 수의 제한으로 짧은 관측으로는 좋은 천체 영상이미지를 얻을 수 없다. 그러므로 천체가 떴다 지는 8시간 정도의 긴 시간에 걸쳐 관측을 해야 천체영상이미지를 얻을 수 있는데, KVN 망원경의 개수가 많아지면 개수의 제곱에 비례해서 기선이 많아지기 때문에 짧은 시간의 관측으로도 좋은 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 마이크로퀘이샤(Microquasar)의 Flaring과 같이 2-3시간 규모에서도 제트의 구조와 세기가 변하는 빠른 변광 현상을 연구할 수 있다. 천체의 격변 현상은 변화가 일어나 초기부터 관측하는 것이 매우 중요하므로 빠른 관측 대응을 위해서 e-VLBI를 활용하여 빠른 대응을 할 계획이다. 연도별 e-VLBI 성능은 다음과 같다.

구분	2016년	2018년	2022년	2024년
전송 속도(자료 속도 x 망원경 개수)	2Gbps x 3	8Gbps x 3	32Gbps x 3	64Gbps x 6

3) 86GHz 이상의 높은 주파수에서 정밀 보정(Calibration)

3개의 망원경으로는 VLBI 측정 신호의 세기 오차를 보정할 수가 없어서 이미지의 감도에 큰 제약을 갖는다. 안테나가 4개 이상이 되면 각 안테나 이득의 오차를 서로 보정할 수 있게 되어 이미지의 감도를 크게 개선할 수 있다.

86GHz 이상의 높은 주파수에서는 대기에 의한 손실, 안테나 지향 오차 등이 커져서 안테나의 이득 세기 (Antenna Gain Amplitude) 오차가 커지고 이런 오차는 측정 신호의 세기가 부정확해지고 이미지의 감도를 제한하게 된다. 따라서 86GHz 이상에서 공동 관측을 수행할 수 있는 안테나를 추가하는 것은 KVN이 주 대상으로 하는 86GHz 이상의 높은 주파수에서 성공적인 관측 연구를 수행하는데 매우 중요하다. 특히 KVN은 대기에 의한 위상 오차를 거의 완벽하게 보정할 수 있기 때문에 안테나 이득 세기를 잘 보정한다면 86GHz 이상에서 신뢰도 높은 결과를 제공함으로써 Calibration 표준을 제공하는 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.

4) 광대역화를 통한 관측 감도 개선 및 다파장 편광 지원

1. 광대역 수신기 개발
2. 광대역 디지털 백앤드 개발
3. 광대역 상관처리 시스템 개발

KVN 안테나 개수 확장과 병행해서 관측 주파수 대역을 확장해서 감도를 개선할 계획이다. 현재 KVN의 관측 주파수 대역은 순간 관측 대역폭이 4개 주파수 각 500MHz로 제한된다. (8Gbps 관측 가정). 2021년까지 4개 주파수를 각 2GHz 대역폭 또는 4개 주파수 양편파를 0.5-1GHz 대역폭으로 관측할 수 있도록 시스템을 개선하였으며, 2023년경에는 4개 주파수 양편파 관측에 필요한 각 8 신호를 각각 최소 8GHz 대역폭으로 관측할 수 있도록 수신 시스템을 업그레이드 하고, 넓은 대역폭 자료를 상관 처리할 수 있도록 상관기도 업그레이드 할 계획이다(총 256Gbps x 5 관측국). 이 경우 관측 감도는 현재 테스트 중인 8Gbps 보다는 약 6배, 현재 주 관측 모드인 1Gbps 보다는 16배 개선된 감도를 얻을 수 있다. 개선된 감도는 현재까지는 관측이 불가능하거나 어려웠던 어두운 천체인 은하핵(AGN), 마이크로퀘이샤 (Microquasar), 고주파수 펄사(Pulsar), 별 별의 연속전파 등 여러 어두운 관측 대상에 대한 연구를 가능하게 할 것으로 기대한다. 또한 이런 대상들에 대해 동시 다주파수 편광 관측을 함으로써 이미지의 변화를 통한 동역학적 연구 뿐 만아니라 방출 신호의 에너지 분포로 부터 전파의 방출 기작, 다주파수 편광 관측 결과를 통한 자기장 정보를 동시에 얻어내어 입체적인 분석이 가능하게 해준다.

현재의 KVN 시스템 건설 과정에서 준 광학계와 수신기는 천문연구원 자체 기술로 대부분 제작하였다. 건설 및 운용 과정에서 핵심 기술의 확보와 성능 개선에 대한 요구 사항들이 있었다. 광대역 수신기의 핵심기술을 확보하고, 전체 시스템을 설치와 운용에 편리하도록 집적도를 높이는 것이 KVN 광대역 수신기 개발을 위해 먼저 해결할 과제이다. 이를 위해서는 KVN의 추가 망원경 건설 이전인 필요한 기술들을 확보하고, 망원경 건설 과정에서 기술들을 더 발전시켜야 한다. 현재 확보를 위해 노력하고 있는 기술로는 OMT(Orthomode Transducer), 편파기 등의 광대역 수동부품, 집적화된 준 광학계 기술, 극저온 증폭기 설계, 수신기 집적화, 광대역 위상 안정 국부발진기 설계 기술 등이 있다.

광대역 디지털 백앤드는 현재의 KVN 건설 과정에서는 모두 외국에서 도입되었다. 그 동안 자체 기술 확보를 통해 1 GHz 샘플러를 개발하였고, 4 GHz 샘플러 개발을 진행하고 있다. 또한 다른 출연연구원 및 중소기업과의 협력을 통해 초고속 기록기 개발을 추진하고 있다. 이러한 노력을 통해, 2019년부터 활용할 수 있는 32 Gbps 급의 디지털 백앤드 기술을 국내 기술로 확보할 수 있을 것이다.

또한 낮은 주파수 대역의 기준 천체를 더 많이 관측하기 위한 차세대 관측시스템을 개발하여 KVN의 관측효율을 한 단계 더 높일 수 있는 연구를 할 것이다. 다음은 KVN을 위한 전파 핵심 기술 개발의 로드맵이다. 2018-2019년까지 핵심 기술들을 축적하여, 2022년까지 KVN에 적용하고자 한다.

5) 해외 망원경과의 협력을 통한 장기선 확장

KVN의 높은 관측 주파수는 짧은 기선에도 불구하고 1mas의 좋은 공간 분해능의 천체영상을 얻을 수 있다. 더 높은 분해능을 얻기 위해서는 해외 망원경들과의 협력이 필수적이다. 현재 유럽, 일본, 중국 VLBI 망원경들 중 86GHz까지 동시 다주파수 관측 수신시스템을 도입을 계획하고 있는 망원경들과 협력하여 고분해능 동시 다주파수 관측을 수행할 계획이다. 이런 동시 다주파수 Global VLBI 관측은 특히 AGN 블랙홀에 인접한 제트 형성 지역에 대한 연구에 수행하는 데 강력한 도구가 될 것이다.

6) 위상보정 기법과 관측자료 처리 Pipeline 개발

KVN은 동시 다주파수 관측을 통한 위상보정을 하고 있다. 동시 다주파수 관측 자료에 대한 위상보정 자료처리 기법은 이미 개발되었고, 여러 관측을 통해 검증 중에 있다. VLBI 관측 자료 처리에 대한 전문 인력의 부족한 상황을 극복하고 KVN을 더 효율적으로 활용하기 위해서는, 관측자가 더 손쉽게 다주파수 위상 보정이 적용된 최적화된 자료를 얻을 수 있도록 Pipeline을 개발하고 있다.

7) 측성(Astrometry) 성능 검증 및 개선

측성 성능은 안테나의 좌표 정밀도, 수신시스템의 위상 안정도, 대기효과 보정 등 전반적인 성능과 연결되어있다. 지속적인 측지 관측과 안테나 고정점 측정을 통해 안테나 좌표 오차를 수 mm 정도로 줄여 나갈 계획이며, 현재 보정이 되지 않고 있는 정적인 대기 수증기와 이온층에 의한 오차도 GPS 자료를 이용해서 보정하여 현재 약 5mas의 측성 정밀도를 3년 이내에 1mas이하의 정밀도로 개선할 계획이다.

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주요사업

수신기 광대역화

KVN의 관측 성능을 개선하기 위해 현 KVN 수신기의 관측 주파수 대역의 광대역화를 추진한다. 관측 주파수 광대역화는 직접적으로는 넓어진 대역폭으로 감도가 개선되는 효과가 있다. 또한 그 동안 관측할 수 없었던 분자 천이선에 대한 연구도 가능하게 된다. 하지만 KVN과 같이 기선의 개수가 제한된 경우 여러 주파수에서 얻은 정보를 합성함으로써 이미지 성능을 개선효과가 있다. 또한 주파수에 따른 편광각의 변화를 측정하는 Rotation Measure를 보다 정확하게 측정할 수 있어서 보다 정밀한 천체의 자기장 정보를 얻을 수 있다. 수신기 광대역화 상세내역 보기

수신기 고도화

새로 건설하는 망원경에 설치할 수신기는 기존 KVN의 동시 관측 성능을 만족시키면서 230GHz 대역까지 관측 가능한 초소형/초광대역 수신기를 개발하여 설치한다. 18-230GHz 대역은 18-115GHz를 관측하는 HEMT 기반의 초소형 3채널 수신기와 초전도 믹서 기반의 150/230GHz 2채널 수신기로 두 부분으로 모듈화하여 개발한다. 수신기는 230GHz 수신기와 천문/우주 탐사 실험에 활용할 8GHz 대역 관측에 필요한 수신기 설치도 가능하도록 소형화화 한다. 기존 KVN의 수신기는 준광학계의 부피가 커서 다른 망원경에 설치가 불가능하였다. 새로 설치할 초소형 3채널 수신기는 전 세계 여러 밀리미터 대역 망원경에 설치가 용이한 크기이며 동시에 넓은 주파수대역을 관측할 수 있어 앞으로 국제 다주파수 동시관측 밀리미터 관측망 확산의 핵심 장비가 될 것이다. 초소형 3채널 수신기 상세내역

230GHz 주파수 대역은 EHT 망원경이 블랙홀 그림자 영상 관측 성공에 따라 그 중요도가 높아지고 있다. 특히 EHT는 1000km 이하의 짧은 기선이 없어 M87 블랙홀 그림자 영상과 제트가 연결되는 구조에 대한 정보를 얻지 못하고 있는데, KVN의 100-500km 기선은 이런 연구에 핵심적인 제공할 것으로 기대된다. 더불어 동시 다주파수 관측을 통한 230GHz의 높은 주파수 위상보정이 된다면 앞으로 더 높은 주파수 대역까지 동시 다주파수 관측 기법의 확장도 검증할 수 있게 된다. 150/230GHz 수신기 개발 상세내역

위상안정시스템은 H-maser 기준 주파수 신호를 안테나 수신기실로 전송하는 Round Trip System과 위상 보정 신호를 수신기에 인가하여 수신기의 위상 안정도를 파악하기 위한 Phase Calibration System 으로 구성된다. 수신기의 국부발진기의 위상안정도가 전체 수신기의 위상 안정도를 결정한다. 기존 KVN의 Round Trip System과 Phase Calibration System을 개선한 E-KVN 용 Round Trip System과 Phase Calibration Sytem의 설계를 수행하였다.위상안정시스템 상세내역

VLBI에서 시각시스템은 물리적으로 수백~ 수천 km 떨어진 전파망원경들이 마치 하나의 거대한 망원경으로 형상화되는데 필요한 기준 주파수와 시각 정보를 제공한다. VLBI 네트워크를 구성하는 관측소가 국가와 대륙을 넘나들며 산재하기에 천체로부터 오는 신호가 각 전파망원경에 도달하는 시각에 차이가 발생한다. 이 시각 차이를 보정하기 위해서는 관측 중 기록된 시각 정보를 기준으로 관측 데이터를 보정해야 하고 공통된 시각 표준에 해당하는 GPS신호에 각 관측소의 시각을 안정되게 동기화하는 절차가 필요하다. 평창 사이트는 2023년 하반기부터 본격적인 시험 관측이 진행될 예정이므로 GNSS 안테나 및 수신기, GPS 관련 계측기, 수소 메이저 등의 핵심 장비들이 최적화 되어야 한다. 시각 시스템 상세내역 - 자료준비중

상관기 개발 및 VLBI 신호처리 시스템 구축

현재 한국천문연이 운영하고 한일 상관센터의 대전 하드웨어 상관기는 8Gbps 신호의 상관처리가 최대 처리할 수 있는 속도이다. 16개의 망원경 주로 동아시아 VLBI 관측 자료의 상관처리에 활용하고 있다. 이와 병행해서 운영하고 있는 DiFX 소프트웨어 상관기는 현재 8Gbps KVN 관측 처리에도 실제 관측 시간의 4배 정도의 시간을 투입해야하는 상황이다. 확장된 KVN으로 2개 증가한 기선의 개수와 8배 늘어난 대역폭, 양편파 상관처리에 의해 2배 증가 연산을 고려하면 기존 KVN 관측 보다 32배의 높은 처리 속도가 필요하기 때문에 확장 KVN을 위한 별도의 상관기가 필요하다. 또한 다른 다주파수 망원경과의 공동 관측으로 기선이 늘어나는 것을 고려해서, 32Gbps x 2 Pol x 5 관측국의 자료에 대해 관측과 같은 속도로 상관처리를 수행하는 상관기를 확보해야한다. 상관기는 최근 개발 동향에 따라 GPU 기반의 상관 코어를 구성한다. 상세내역 보기

자료 처리 소프트웨어 및 관측 기법 개발

확장된 KVN 망원경이 운영되는 단계에서는 새로운 성능을 활용한 자료처리 소프트웨어와 관측 기법의 개발이 필요하다. 기선 증가와 광대역화로 개선된 UV-Coverage의 장점을 최대한 활용하는 다주파수 합성 기법, 자가 이득 보정 기법을 검증하고 이에 최적화된 자료 처리 파이프라인의 개발이 뒤따라야 한다. 또한 그 동안 어려웠던 마이크로 퀘이사와 같이 구조가 빨리 변하는 천체에 대한 연구도 가능해지기 때문에 이런 천체에 대한 관측 및 자료 처리 기법도 개발이 필요하다. 상세내역 보기 - 자료준비중

망원경 성능 최적화

KVN의 광대역화로 관측 주파수 대역이 150 ~ 230GHz의 높은 주파수로 확장함에 따라 망원경은 더 정밀한 성능이 요구된다. 안테나의 구경 효율, 지향 정밀도, 초점 등을 더 높은 정밀도로 개선하고 유지해야 지속적으로 좋은 품질의 자료를 얻을 수 있다. 사진 측량, Holography Measurement으로 안테나의 효율을 최적화 상태로 개선/관리해야한다. 이와 더불어 VLBI의 Astrometry 정밀도를 위해서는 안테나의 이동 고정점 위치에 대한 측량과 지속적인 감시가 필요하다. 상세내역 보기 - 자료준비중